6 Technische informationen - FAULHABER Group

Lineare DC-Servomotoren
QUICKSHAFT ® Technologie
Serie LM 0830
Serie LM 1247
Serie LM 2070
Gerätehandbuch
DE

Impressum
Version:
1. Aufl age, 17.03.2011
Copyright
by FAULHABER MINIMOTOR SA
6980 Croglio – Switzerland
Alle Rechte, auch die der Übersetzung, vorbehalten.
Ohne vorherige ausdrückliche schriftliche Genehmigung
der MINIMOTOR SA darf kein Teil dieser Beschreibung
vervielfältigt, reproduziert, in einem Informationssystem
gespeichert oder verarbeitet oder in anderer Form weiter
übertragen werden.
Dieses Gerätehandbuch wurde mit Sorgfalt erstellt.
Die MINIMOTOR SA übernimmt jedoch für eventuelle Irrtümer
in diesem Gerätehandbuch und den daraus resultierenden
Folgen keine Haftung. Ebenso wird keine Haftung für direkte
Schäden oder Folgeschäden übernommen, die sich aus einem
unsachgemäßen Gebrauch der Geräte ergeben.
Bei der Anwendung der Geräte sind die einschlägigen
Vorschriften bezüglich Sicherheitstechnik und Funkentstörung
sowie die Vorgaben dieses Gerätehandbuches zu beachten.
Änderungen vorbehalten.
Die jeweils aktuelle Version dieser Bedienungsanleitung
fi nden Sie auf der Internetseite von FAULHABER:
www.faulhaber.com
2

Inhaltsverzeichnis
1 Sicherheitsanforderungen 4
1.1 Wichtige Informationen 4
1.2 Betrieb 4
1.3 Installation 4
1.4 Transport 4
2 Motoreigenschaften 5
2.1 QUICKSHAFT® Technologie 5
2.2 Technische Informationen 5
2.2.1 Lebensdauer 6
2.2.2 Umgebung 6
2.2.3 Aufl ösung, Wiederholgenauigkeit, Präzision, Darstellung, Bemerkungen 6
2.2.3.1 Aufl ösung 6
2.2.3.2 Wiederholgenauigkeit 6
2.2.3.3 Präzision 6
2.2.3.4 Darstellung 6
2.2.3.5 Bemerkungen 6
3 Mechanik 7
3.1 Befestigung 7
3.1.1 Statorbefestigung 7
3.1.2 Läuferstabbefestigung 8
3.2 Linearführung / Läuferstab 8
3.3 Motorenabstand 8
3.4 Verriegelung 8
4 Elektrik 9
4.1 Eigenschaften 9
4.2 Anschluss 9
4.3 Magnetfeld 9
4.4 Problembehebung 10
5 Motorenwahl 11
5.1 Schema 11
6 Technische Informationen 12
3

1 Sicherheitsanforderungen
1.1 Wichtige Informationen
Vor dem Auspacken und der Inbetriebnahme des Gerätes zuerst nachstehende Anweisungen durchlesen.
ACHTUNG! Statisch empfi ndliches Gerät. Handhabung nur an statisch sicheren Arbeitsplätzen.
ACHTUNG! Starke Magnetfelder!
VORSICHT! Die starken Magnetfelder sind potentiell gefährlich für Träger medizinischer Geräte wie Herzschrittmacher
oder Metallprothesen. Abstand halten!
1.2 Betrieb
Sich vergewissern, dass der Arbeitsplatz völlig frei von metallischen und/oder magnetischen
Gegenständen ist, bevor das Produkt ausgepackt und verwendet wird.
Alle Rückstände von Metallteilen und/oder Metallstaub aus dem Arbeitsbereich entfernen.
Kreditkarten, Computerdisketten, Uhren und Präzisionsinstrumente können durch die Magnetfelder
beschädigt werden.
Achtung! Den Läuferstab nicht beschädigen; dadurch könnte es zum Herausragen von Metallteilen
kommen.
Achtung! Sind Teile des Motors defekt, diesen nicht verwenden.
Achtung! Elektrische Verbindungen dürfen ausschließlich von Fachleuten hergestellt werden.
Eine falsche Systemkonfi guration könnte unerwünschte Läuferstabbewegungen bewirken.
Achtung! Den Linear DC-Servomotor nur in Betrieb setzen wenn der Läuferstab eingesetzt ist.
Der Läuferstab darf bei eingeschaltetem Motor nicht eingeführt oder entfernt werden.
WARNUNG! Während des Motorenbetriebs kann sich das Gehäuse stark erwärmen.
1.3 Installation
1.4 Transport
Bringen Sie am Installationsort des Motors das Symbol „Vorhandensein von Magnetfeldern“ an, um auf
das Vorhandensein von Magnetfeldern in der Nähe des Motors hinzuweisen.
Im Fall eines Transports verwenden Sie bitte die Originalverpackung, fügen Sie das Informationsblatt bei
und kennzeichnen Sie das Paket von außen mit den 3 Hinweisschildern.
4

2 Motoreigenschaften
2.1 QUICKSHAFT ® Technologie nologie
Lineare DC-Servomotoren
1 Lager
2 Lagerdeckel
3 Spule
4 Gehäuse
5 Platine
6 Hall-Sensoren
7 Kabel und Stecker
8 Abdeckung
9 Läuferstab mit Magneten
Funktion
QUICKSHAFT ® kombiniert die Geschwindigkeit und
Robustheit eines pneumatischen Systems mit der
Flexibilität und der Zuverlässigkeit eines elektromechanischen
Linearmotors. Die innovative Konstruktion
mit einer selbsttragenden Dreiphasenspule und antimagnetischem
Stahlgehäuse resultiert in einer außerordentlichen
Leistung.
Dank dem hervorragenden linearen Kraft-/ Stromverhältnis
und dem Fehlen statischer Rastmomente ist
dieser Antrieb besonders ideal für den Einsatz bei
Mikro-Positionieraufgaben geeignet. Die Positionskontrolle
der linearen QUICKSHAFT ® DC-Servomotoren
ist über die integrierten Hall-Sensoren einfach zu
realisieren.
Die Lebensdauer der linearen DC-Servomotoren wird
hauptsächlich durch die Lebensdauer der Lager beeinfl
usst. Deren Verschleiß hängt stark von der Betriebsgeschwindigkeit
und der Last des Läuferstabs ab.
5
Nutzen und Vorteile
■ Hohe Dynamik
■ Ausgezeichnetes Leistungs-/ Volumenverhältnis
■ Keine Rastmomente vorhanden
■ Antimagnetisches Stahlgehäuse
■ Kompakte und robuste Konstruktion
■ Benötigt keine Schmierung
■ Einfacher Einbau und Inbetriebnahme
Produktkennzeichnung
LM Linearer Motor
12 Breite des Motors [mm]
47 Länge des Motors [mm]
020 Hublänge [mm]
01 Sensortyp: Linear
LM1247–020–01

2 Motoreigenschaften
2.2 Technische Informationen
2.2.1 Lebensdauer
Die Lebensdauer des QUICKSHAFT ® linearen DC-Servomotors wird hauptsächlich durch die Polymer-
Lager beeinfl usst, deren Abnutzungsgrad stark von den folgenden Faktoren abhängt:
Umgebungsbedingungen:
Temperatur, Feuchtigkeit, Stöße, Vibrationen.
Betriebsbedingungen:
Geschwindigkeit, Beschleunigung, Druck (Querkraft des Läuferstabs auf das Lager), Arbeitszyklen.
2.2.2 Umgebung
Sämtliche Angaben des Datenblatts gelten für die Raumtemperatur (22°C).
Achten Sie stets auf die Betriebsumgebung des Motors.
Eine optimale Kühlung kann die Leistung des Motors erhöhen.
2.2.3 Aufl ösung, Wiederholgenauigkeit, Präzision, Darstellung, Bemerkungen
2.2.3.1 Aufl ösung
Die Aufl ösung hängt direkt von der Ansteuerungselektronik ab. Die Aufl ösung entspricht dem Mindestabstand
des Motors. Dieser Wert ist vom Meßsystem (Hallsensoren, Encoder...) und von der Ansteuerungselektronik
abhängig. Dieser Wert darf nicht verwechselt werden mit dem realen Abstand, der von der
Wiederholgenauigkeit, Präzision und Anwendung abhängt.
2.2.3.2 Wiederholgenauigkeit
Die maximal gemessene Differenz, wenn mehrfach
die gleiche Bewegung unter den gleichen Bedingungen
wiederholt wird.
2.2.3.3 Präzision
Der maximale Positionierungsfehler des Motors.
Dieser Wert entspricht der maximalen Differenz
zwischen der gesetzten Position und der exakten
Position des Systems.
2.2.3.4 Darstellung
Die Präzision und Wiederholgenauigkeit können grafi sch wie folgt dargestellt werden:
Hohe Wiederholgenauigkeit –
Niedriger Druck
Aufl ösung =
Hohe Wiederholgenauigkeit –
Hohe Präzision
2.2.3.5 Bemerkungen
Um die Genauigkeit der Positionierung zu erhöhen, ist die Verwendung eines Encoders erforderlich.
6
Polabstand
Aufl ösung Platine
Tatsächliche
Positionierung
Präzision
Wiederholgenauigkeit
0
Präzision
Zu positionierendes
Objekt
Positionierungsfehler
Niedrige Wiederholgenauigkeit –
Niedrige Präzision

3 Mechanik
3.1 Befestigung
Für einen optimalen Betrieb des linearen DC-Servomotors ist besondere Aufmerksamkeit auf die
Befestigung der verschiedenen Komponenten zu legen.
Der Linearmotor stellt eine Quelle magnetischer Felder dar und ist daher gegenüber den für die
Befestigung verwendeten Materialien empfi ndlich.
Verwenden Sie antimagnetische Materialien und vermeiden Sie Materialien mit einer hohen elektrischen
Leitfähigkeit (z.B. Aluminium).
Während des Betriebs erwärmt sich der Motor.
Um eine optimale Leistung des Motors zu erzielen, ist es wichtig, den Wärmeaustausch zwischen dem
Motor und der Umgebung zu begünstigen. Dies erreichen Sie durch eine gute Luftzirkulation um den
Motor und/oder durch Verwendung von wärmeleitfähigen Materialien der Befestigungselemente.
Verwenden Sie antimagnetische Materialien in der Nähe des Motors.
Für eine erhöhte Leistung (hohe Geschwindigkeit, Dynamik) sollten Sie für den Läuferstab keine
Metallteile mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit verwenden, um Wirbelstrom zu vermeiden der
die Effi zienz herabsenken könnte.
Vorsicht beim Einsetzen des Läuferstabs in den Motor. Das fehlerhafte Einsetzen kann zu Schäden an
der Spule und/oder den Lagern führen.
Die Nullstellung der Position muss jedes Mal erneut vorgenommen werden, wenn Sie den Läuferstab
in den Motor einsetzen oder austauschen.
Führen Sie den Läuferstab so ein, dass
sich die Referenznummer auf der Seite
des Steckers befi ndet.
3.1.1 Statorbefestigung
Einige Beispiele für die Statorbefestigung:
A. Anschrauben (Gewinde im Gehäuse vorhanden)
B. Klemmen des Gehäuses in einer Halterung
Die Lagerdeckel können als Anschlag und/oder Zentrierung verwendet werden.
A) Anschrauben B) Klemmen
Verwenden Sie vorzugsweise antimagnetische Schrauben.
7
123456

3 Mechanik
3.1.2 Läuferstabbefestigung
Einige Beispiele für die Befestigung:
A. Verwendung der stirnseitigen Gewinde. B. Mit mechanischer Befestigung am Ende des Läuferstabs.
A) Schrauben B) Klemmen
Verwenden Sie vorzugsweise Der Druck muss einheitlich auf den Fixierungsdeckel
antimagnetische Schrauben. erfolgen (Aluminiumverschluss) und darf nie auf den
Beachten Sie die maximale Einschraubtiefe! Läuferstab selbst ausgeübt werden.
3.2 Lineare Führung / Läuferstab
3.3 Motorenabstand
Bei großem Hub ohne externe Führung ist ein beweglicher Stator vorzuziehen.
Verwenden Sie eine Kabelbefestigung, um das Ablösen des Steckers und/oder einen Anstieg der
externen Kraft aufgrund des mechanischen Widerstands des Kabels zu vermeiden.
Um magnetische Wechselwirkungen zwischen zwei auf beweglichen Parallelstangen angebrachten
Motoren zu vermeiden, sollten Sie die in der Tabelle aufgeführten Mindestabstände beachten.
Bei geringeren Abständen als den angegebenen ziehen sich die Stangen gegenseitig an und ihre
Bewegungen können sich gegenseitig beeinfl ussen.
Ebenso sollten Sie auch den Mindestabstand der Motoren zu metallischen, ferromagnetischen
Oberfl ächen einhalten. Werden die empfohlenen Abstände unterschritten, erhöht sich infolge der
Anziehung, die zwischen der Stange und den metallischen Oberfl ächen entsteht, die Reibung und
damit die Stromaufnahme, so dass die Effi zienz des Motors beeinträchtigt wird.
Motor Minimum distance d Minimum distance D
LM0830 18 mm 8 mm
LM1247 27 mm 15 mm
LM2070 40 mm 22 mm
�
3.4 Verriegelung
In manchen Fällen muss das System durch externe mechanische Haltevorrichtungen verriegelt werden
um die Position unter speziellen Bedingungen (schiefe Ebene, vertikale Position, externe Kraft...)
in denen der Motor Energie benötigt, zu arretieren.
Lösungsvorschläge:
direkte Verriegelung des Läuferstabs
Systemverriegelung mit externer Führung
8
�

4 Elektrik
4.1 Eigenschaften
4.2 Anschluss
4.3 Magnetfeld
Lineare Motoren müssen über einen speziellen Motion Controller angesteuert werden
(siehe Datenblatt oder Internetseite www. faulhaber.com).
Der Anschluss der Hallsensoren und der Phasen an den Motor erfolgt über ein Kabel oder ein
Flexprint. In Arbeitsumgebungen mit elektromagnetischen Störquellen und bei Kabeln mit einer
Länge von mehr als 300 mm ist ggf. die Abschirmung des Versorgungskabels erforderlich.
Falscher Anschluss kann zu irreparablen Motorschäden führen. Stellen Sie daher vor der
Versorgung des Motors den richtigen Anschluss sicher.
Lineare Motoren sind anfällig gegenüber elektrostatischen Entladungen.
Der Läuferstab der linearen Motoren enthält Magnete
mit hoher Eigenenergie. Im umgebenden Raum
befi ndet sich daher ein dauerhaftes Magnetfeld.
�
Die folgende Grafi k gibt eine Vorstellung über die Intensität der magnetischen Induktion in
Abhängigkeit des Achsen- (a) und Radial-(r) Abstands des Läuferstabs (theoretische unverbindliche Werte).
Flussdichte [T]
Abstand [mm]
9
0830 Radiale Flussdichte
0830 Axiale Flussdichte
1247 Radiale Flussdichte
1247 Axiale Flussdichte
2070 Radiale Flussdichte
2070 Axiale Flussdichte
Maximale Flussdichte der Erde
Minimale Flussdichte der Erde

4 Elektrik
4.4 Problembehebung
In der folgenden Tabelle sind einige mögliche Probleme mit den entsprechenden
Korrekturmaßnahmen aufgeführt.
Problem Ursache Maßnahme
Positionierungsfehler / Fehlerhafter Kontakt der Hallsen- Anschlüße prüfen.
problematische
Motorensteuerung
soren oder Motorphasen.
Fehlerhafte PID-Parameter. PID-Parameter ändern.
Mechanische Blockierung
des Läuferstabs.
Beschädigter Hallsensor.
Fehlerhafte Ausrichtung zwischen
Läuferstab und Gehäuse.
Die folgenden Handlungen führen zu Schäden der (nicht austauschbaren) Hallsensoren:
Anschluss der Sensoren bei verkehrter Polarität
Anschluss der Sensoren bei einer Spannung > 6V
Verbindung einer Phase mit einem Signal eines Hallsensors
Verbindung der positiven Versorgungsspannung der Sensoren mit einem Ausgang eines Sensors
Verbindung eines Signals eines Hallsensors mit einem anderen Gerät mit unterschiedlichem GND-Bezug.
Exponierung des Motorensteckers gegenüber elektrostatischer Entladung.
10
Motor austauschen.
Genaue Ausrichtung zwischen
Läuferstab und Gehäuse wieder
herstellen.

5 Motorenwahl
5.1 Schema
Die Wahl des Motors muss unter Berücksichtigung der aktiven und passiven Kräfte, die auf die
beweglichen Teile des Motors wirken, und des Arbeitszyklus getroffen werden.
Die Wahl des Motors muss so erfolgen, dass der Spulentemperatur nie die im
Datenblatt aufgeführte Höchsttemperatur überschreitet.
Der Auswahlprozess kann wie folgt zusammengefasst werden:
1) Geschwindigkeitsprofi l festlegen und Hublänge bestimmen.
2) Spitzen- und Dauerkräfte gemäß nachstehendem Ablaufschema berechnen.
3) Mit diesen Daten, Spitzenkraft, Dauerkraft und Hub, im Katalog den Motor auswählen.
4) Berechnung der Spulentemperatur zur Kontrolle durchführen.
5) Wenn die Spule die zulässige Temperatur überschreitet, müssen Sie einen leistungsstärkeren
Motor wählen und/oder das Geschwindigkeitsprofi l ändern und/oder die angewandten Kräfte
reduzieren.
In der Kontrollberechnung der Spulentemperatur spielen die Wärmewiderstände eine große Rolle.
Je niedriger sie sind, desto geringer ist die Spulentemperatur bei gleichen Leistungsbedingungen.
Um den Wärmewiderstand zu reduzieren, muss der Motor auf einer wärmeleitfähigen Halterung
angebracht werden, die als Kühlkörper wirkt. Auch durch eine zusätzliche Belüftung kann die
Spulentemperatur gesenkt werden.
Wahl des linearen
DC-Servomotors
Definition des Geschwindigkeitsprofils
(vorwärts – rückwärts)
Kraftdefinition
(vorwärts – rückwärts)
Berechnung
von Fp und Fe
Motorauswahl (Katalog)
Smax., Femax., Fpmax., Vmax., amax.
Nein
Berechnung der
Spulentemperatur
OK?
Ja
Linearer DC-Servomotor
Dreieckiges
Geschwindigkeitsprofil
(vorwärts)
Geschwindigkeitsprofi l
(vorwärts-rückwärts)
Nein
Geschwindigkeitsprofi l
(vorwärts-rückwärts)
11
Trapezförmiges
Geschwindigkeitsprofil
(vorwärts)
Berechnung von
(vorwärts)
s, Vmax., a, t.
Vorwärts ≠
rückwärts?
Ja
Geschwindigkeitsprofi
l
(rückwärts)
Berechnung von
(rückwärts)
s, Vmax., a, t.
Sonstige
(vorwärts)
vorwärts
rückwärts
Kraftprofi l
(vorwärts-rückwärts)
∑F Phase 1
(Vorwärts-Beschleunigung)
∑F Phase 2
(Konstante Geschwindigkeit)
∑F Phase 3
(Negative Beschleunigung)
∑F Phase 4
(Halt)
∑F Phase 1
(rückwärts-Beschleunigung)
∑F Phase 2
(Konstante Geschwindigkeit)
∑F Phase 3
(Negative Beschleunigung)
∑F Phase 4
(Halt)
Kraft
(vorwärts-rückwärts)
Alle Parameter gelten für eine Raumtemperatur von 22°C und mit einem um 55% reduzierten Rth2.

6 Technische informationen
Erläuterungen rläut uter erungen zu den Datenblättern
Alle Werte bei 22 °C Umgebungstemperatur.
Dauerkraft Fe max. [N]
Die maximale Schubkraft im Dauerbetrieb bei der maximal
zulässigen Betriebstemperatur.
Fe max. = kF · Ie max.
Spitzenkraft Fp max. [N]
Die maximale Schubkraft im intermittierenden Betrieb
(max. 1 s, 20% Arbeitszyklus) bei der maximal zulässigen
Betriebstemperatur.
Fp max. = kF · Ip max.
Dauerstrom Ie max. [A]
Der maximal zulässige Strom im Dauerbetrieb bei der
maximal zulässigen Betriebstemperatur.
T125 – T22
Ie max. = –––––––––––––––––––––––––––––––––––––
R · (1 + 22 · (T125 – T22 )) · (Rth 1 + 0,45·R th 2 )
kE = ——––
2· kF
6
2
· –––
3
Spitzenstrom Ip max. [A]
Der maximal zulässige Spitzenstrom im Kurzzeitbetrieb
(max. 1 s, 20% Arbeitszyklus) bei der maximal zulässigen
Betriebstemperatur.
Generator-Spannungskonstante kE [V/m/s]
Die Motorkonstante, die das Verhältnis zwischen der induzierten
Spannung in den Motorphasen und der linearen
Bewegungsgeschwindigkeit beschreibt.
Kraftkonstante kF [N/A]
Die Konstante, die das Verhältnis zwischen der geleisteten
Motorkraft und dem Stromverbrauch beschreibt.
12
Anschlusswiderstand, Phase-Phase R [ ] ±12%
Der zwischen jeweils zwei Motorphasen gemessene
Widerstand. Der Wert ist direkt von der Spulentemperatur
abhängig (Temperaturkoeffi zient: α22 = 0,004 K-1 ).
Anschlussinduktivität, Phase-Phase L [µH]
Die bei 1 kHz zwischen zwei Phasen gemessene Induktivität.
Hublänge, smax. [mm]
Die maximale Hublänge vom Läuferstab.
Wiederholgenauigkeit [µm]
Die maximal gemessene Abweichung, wenn mehrfach
die gleiche Bewegung unter gleichen Bedingungen
wiederholt wird.
Präzision [µm]
Die maximalen Positionierungsfehler. Dieser Wert entspricht
der Differenz zwischen der gesetzten und der
gemessenen Position des Systems.
Beschleunigung ae max. [m/s 2 ]
Die maximale Beschleunigung aus dem Stillstand, ohne Last.
v
ae
max.
Fe
max.
= –––––
m m
Geschwindigkeit ve max. [m/s]
Die maximale Geschwindigkeit aus dem Stillstand,
ohne Last, bei einem dreieckigen Geschwindigkeitsprofi l
und maximaler Hublänge.
= a · s max.
e max. e max.
Wärmewiderstände Rth 1 / Rth 2 [K/W]
Rth 1 entspricht dem thermischen Übergangswiderstand
zwischen Spule und Gehäuse.
Rth 2 entspricht dem thermischen Übergangswiderstand
zwischen Gehäuse und Umgebung.
Der Wert für Rth 2 kann durch den Einsatz eines Kühlkörpers
und/oder durch Zwangsbelüftung verbessert werden.
Thermische Zeitkonstante τ w1 / τ w2 [s]
Die Zeitkonstante der Spule (τ w1) und vom Gehäuse (τ w2).
Betriebstemperaturbereich [°C]
Die minimal und maximal zulässigen Betriebstemperaturwerte.

6 Technische informationen
Läuferstabgewicht mm [g]
Das Gewicht des Läuferstabes mit den Magneten.
Gesamtgewicht mt [g]
Das Gesamtgewicht vom Linear DC-Servomotor.
Magnetischer Polabstand τm [mm]
Die Distanz zwischen zwei gleichen Polpaaren.
Läuferstab Lager
Das Material und die Ausführung der Läuferstablager.
Gehäusematerial
Das Material vom Motorgehäuse.
Bewegungsrichtung
Die Bewegungsrichtung ist reversibel und wird durch die
Ansteuerungselektronik bestimmt.
Kräfteberechnung
Um eine Masse eine Neigung hochzubewegen, muss ein
Motor eine Kraft ausüben, um die Last zu beschleunigen
und alle gegen diese Bewegung wirkenden Kräfte zu überwinden.
Σ
Fe
Fg
m
Fx
F y
Fext
Die Summe der in der oben stehenden Zeichnung
gezeigten Kräfte muss gleich sein zu:
F = m · a [N]
Gibt man die verschiedenen Kräfte in diese Gleichung ein,
folgt daraus:
F f
s a · t
Fe - Fext - Ff - Fx = m · a [N] v = 2 · ___ = = a · s
t 2
________ Geschwindigkeit:
[m/s]
13
dabei gilt:
Fe : Dauerkraft des Motors [N]
Fext : Externe Kraft [N]
Ff : Reibungskraft Ff = m · g · ⋅ cos ( ) [N]
Fx : Parallelkraft Fx = m · g · sin ( ) [N]
m : Gesamtmasse [kg]
g : Gravitation [m/s 2 ]
a : Beschleunigung [m/s 2 ]
Bewegungsprofi le
Das Bewegen jeder Masse von Punkt A zu Punkt B unterliegt
den Gesetzen der Kinematik.
Die Formeln einer geradlinigen Bewegung und einer
kontinuierlichen, beschleunigten Bewegung erlauben
die verschiedenen Geschwindigkeits- und Zeitprofi le
zu defi nieren.
Bevor die vom Motor zu leistende kontinuierliche
Arbeitskraft berechnet werden kann, muss ein Geschwindigkeitsprofi
l mit den verschiedenen Lastbewegungen
defi niert werden.
Dreieckiges Geschwindigkeitsprofi l
Das dreieckige Geschwindigkeitsprofi l besteht nur aus der
Beschleunigungs- und Abbremszeit.
Geschwindigkeit (m/s)
Bewegung:
Beschleunigung:
t
t/2 t/2
s
2
1 1 v
= ___ · v · t ___ = · a · t
2 4 a
2 = ____ [m]
a = 4 ·
Zeit (s)
2
s v v
____ ____ ____
= 2 · =
t 2 t s
Der farbige Bereich entspricht
der Bewegungslänge
während der Zeit t.
[m/s 2 ]

6 Technische informationen
Trapezförmiges Geschwindigkeitsprofi l
Das trapezförmige Geschwindigkeitsprofi l, konstante
Beschleunigung, konstante Geschwindigkeit und Abbremsen
erlauben eine einfache Berechnung, die vielen praxisnahen
Anwendungen entspricht.
Geschwindigkeit (m/s)
Bewegung:
Geschwindigkeit:
Beschleunigung:
t
t/3 t/3 t/3
s 2 1 v 2
= ___ · v · t ______ = · a · t
3 4,5 a
2 = 2 · ____ [m]
v = 1,5 ·
Der farbige Bereich entspricht
der Bewegungslänge
während der Zeit t.
Zeit (s)
s a · t a · s
___ = _________
=
t 3 2
________ [m/s]
s v v
a = 4,5 ·
2
___ 3 = 2 · ____
t 2 = ·
t s
___ [m/s2 ]
Auswahl eines linearen DC-Servomotors
Dieser Abschnitt beschreibt Schritt für Schritt den Vorgang
zur Auswahl eines linearen DC-Servomotors.
Defi nition des Geschwindigkeitsprofi ls
Zu Beginn ist es notwendig, das Geschwindigkeitsprofi l
der Lastbewegungen zu defi nieren.
Die Eigenschaften der Bewegungen müssen zu Beginn
berücksichtigt werden. Wie hoch ist die maximale
Geschwindigkeit? Wie stark soll die Masse beschleunigt
werden? Wie lang ist die Bewegung, welche die Masse
durchführen soll? Wie lange ist die Ruhezeit?
Sind die Parameter der Bewegung nicht klar defi niert,
wird empfohlen, ein dreieckiges oder trapezförmiges
Profi l zu verwenden.
Nehmen wir eine Last von 500 g, die in 100 ms 20 mm
weit auf einer Neigung mit einem Steigungswinkel von
20° bewegt werden muss und berücksichtigen ein trapezförmiges
Geschwindigkeitsprofi l.
14
Geschwindigkeit
Einheit 1 2 3 4
s (Bewegungsdistanz) m 0,005 0,01 0,005 0
v (Geschwindigkeit) m/s 0 ... 0,3 0,3 0,3 ... 0 0
a (Beschleunigung) m/s2 9,0 0 –9,0 0
t (Zeit) s 0,033 0,033 0,033 0,100
Berechnungsbeispiel
Geschwindigkeit und Beschleunigung für Teil 1
s 20 · 10
vmax. = 1,5
-3
· ___ = 1,5 · _________________ = 0,3 m/s
t 100 · 10-3 a = 4,5
1
t1 = td /3 t2 = td /3 t3 = td /3
4
td = 100 ms t4 = 100 ms
s 20 · 10 -3
· ___ = 4,5 · ____________________ = 9 m/s 2
t 2 (100 · 10 -3 ) 2
Kräfteberechnung
Unter der Annahme einer Last von 500 g und einem Reibungskoeffi
zienten von 0,2 ergeben sich folgende Kräfte:
vorwärts rückwärts
Kraft Einheit Symbol 1 2 3 4 1 2 3 4
Reibung N Ff 0,94 0,94 0,94 -0,94 0,94 0,94 0,94 0,94
Parallel N Fx 1,71 1,71 1,71 1,71 -1,71 -1,71 -1,71 -1,71
Beschleunigung N Fa 4,5 0 -4,5 0 4,5 0 -4,5 0
Berechnungsbeispiel
Reibungs- und Beschleunigungskräfte für Teil 1
2
Gesamt N Ft 7,15 2,65 -1,85 0,77 3,73 -0,77 -5,27 -0,77
Ff = m · g · μ · cos (∝) = 0,5 · 10 · 0,2 · cos (20º) = 0,94 N
Fa = m · a = 0,5 · 9 = 4,5 N = 4,5 N
Auswahl des Motors
Da nun die Kräfte der drei Teile des Profi ls bekannt sind,
können die erforderlichen Spitzen- und Dauerkräfte in
Abhängigkeit der Zeit jedes Teils berechnet werden.
Die Spitzenkraft ist die größte Kraft, die während des
Arbeitszyklus erreicht wird.
Fp = max. ( | 7,15 | , | 2,65 | , | -1,85 | , | 0,77 | , | 3,73 | , | -0,77 | , | -5,27 | , | -0,77 | ) = 7,15 N
3
Zeit (s)

6 Technische informationen
Die Dauerkraft wird durch folgende Formel errechnet:
2 2
2 2
0,033 · 7,15 + 0,033 · 2,65 + 0,033 · (–1,85) + 0,1 · 0,77
2
Fe = _______________ 2
Σ (t · Ft )
= ...
2 · Σ t
2
Fe = ________________________________________________________________________________________ + 0,033 · 3,73 + 0,033 · ( –0,77) + 0,033 · (–5,27) + 0,1 · (–0,77)
= 2,98 N
2 · (0,033 + 0,033 + 0,033 + 0,1)
Mit diesen beiden Werten ist es nun möglich,
den geeigneten Motor für die Anwendung zu fi nden.
Linearer DC-Servomotor LM 1247–020–01
smax. = 20 mm ; Fe max = 3,09 N ; Fp max. = 9,26 N
Temperaturberechnung der Spulenwicklung
Um die Temperatur der Spulenwicklung zu ermitteln, muss
der Dauerstrom berechnet werden. Wenn man für das
vorliegende Beispiel eine Dauerkraft von 6,43 N/A berücksichtigt,
ergibt sich daraus:
Fe 2,98
_____ _________
Ie = = = 0,46 A
kf 6,43
Mit einem elektrischen Widerstand von 13,17 , einem
gesamten Wärmewiderstand von 26,2 °C/W (Rth1 + Rth2)
und einem reduzierten Wärmewiderstand Rth2 um 55%
(0,45 · Rth2), ergibt sich eine Spulentemperatur von:
T (I) = c ______________________________________________________________________________ R · (Rth1 + 0,45 · Rth2) · (Ie ·
= ...
_____ ) · ( 1 – α22 · T22) + T22
1 – α22 · R · ( Rth1 + 0,45 · Rth2) · (Ie · _____ ) 2
3 2
2
3
2
T (I) = c _____________________________________________________________________________________________ 13,17 · (8,1 + 0,45 · 18,1) · (0,46 ·
= 113,5 °C
_____ ) · ( 1 - 0,0038 · 22) + 22
1 – 0,0038 · 13,17 ( 8,1 + 0,45 · 18,1) · (0,46 · _____ ) 2
3 2
2
3
2
2
2
15
Motorkennlinien
Bewegungsprofi l:
Trapezförmig (t1 = t2 = t3), vorwärts und rückwärts
Motorkennlinien-Diagramm für den linearen DC-Servomotor
mit den folgenden Parametern:
Bewegungsdistanz: 20 mm
Reibungskoeffi zient: 0,2
Neigungswinkel: 20°
Ruhezeit: 0,1 s
Last [kg]
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
0
0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
LM 1247–020–01
Externe Kraft [N]
Lastkurve
Die Lastkurve ermöglicht es, die maximal zulässige Last
für eine bestimmte Geschwindigkeit bei 0 N externer
Kraft abzulesen.
Die Kurve zeigt eine maximale Last ( ) von 0,87 kg bei
einer Geschwindigkeit von 0,11 m/s.
Externe Kraftkurve
Die externe Lastkurve ermöglicht es, die maximal zulässige
externe Kraft, bei einer bestimmten Geschwindigkeit
mit einer Last von 0,5 kg abzulesen.
Die Kurve zeigt, dass die maximal erreichbare Geschwindigkeit
( ) ohne externe Kräfte bei einer Masse von
0,5 kg bei 0,31 m/s liegt.
Somit liegt die maximal anzuwendende externe Kraft ( )
bei einer Geschwindigkeit von 0,3 m/s bei 0,5 N.
Die externe Spitzenkraft ( ) wird bei einer Geschwindigkeit
von 0,17 m/s erreicht und entspricht einer maximal anzuwendenden
externen Kraft von 2,27 N.
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
Geschwindigkeit
[m/s]

MA00042, deutsch, 1th Aufl age, 03.2011
©FAULHABER MINIMOTOR SA
Änderungen vorbehalten
The FAULHABER Group:
DR. FRITZ FAULHABER
GMBH & CO. KG
Daimlerstraße 23/25
71101 Schönaich · Germany
Tel.: +49 (0)7031/638-0
Fax: +49 (0)7031/638-100
Email: info@faulhaber.de
FAULHABER MINIMOTOR SA
6980 Croglio · Switzerland
Tel.: +41 (0)91 611 31 00
Fax: +41 (0)91 611 31 10
Email: info@minimotor.ch
MicroMo Electronics, Inc.
14881 Evergreen Avenue
Clearwater · FL 33762-3008 · USA
Phone: +1 (727) 572-0131
Fax: +1 (727) 573-5918
Toll-Free: (800) 807-9166
Email: info@micromo.com